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문제 정의
- 본 연구에서는 반구형 파력발전 장치 개발에 대한 기초 실험연구로서 두 가지 형태의 반구형 부체의 수직 운동 계측을 통한 점흡수식 파력 발전 장치의 운동 성능과 파력 추출 효율을 조사하였다. 부체 형태에 따른 수직 운동 성능 변화를 비교하기 위해 일반적인 반구형 부체와 밑 부분이 평탄하게 잘린 반구체에 대한 비교 실험을 수행하고 결과를 비교 검토하였다.
제안 방법
- 각 형상 모델 실험을 통해, 부체 상하운동으로 인한 PTO 유압실린더의 압력, 시간 평균 추출파워, 그리고 파에너지 추출효율을 계측하고 이를 비교 하였다. 입사파 주기가 증가할수록, 부체 상하운동, 부체에 작용하는 파랑외력, 유압실린더 압력, 시간 평균 추출 파워 및 추출 효율은 모두 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 부체 운동 성능과 추출 파워의 비교를 위해, 반구모양의 부체(모델 A)와 평탄면 반구체(모델 B)에 대하여 두가지 흘수조건에서 비교 실험을 수행하였다. 동력 인출 장치는 유압 펌프 시스템을 적용하였다.
- 이는 수조 실험에서 발생하는 반사파의 영향이라고 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 반사파 영향이 발생하기 전인 5~15초 사이의 계측 값을 이용하여 부유체 운동으로 인해 발생하는 유압실린더의 내부 압력, 유체동역학적 성능 및 규칙 파에 의한 추출 에너지를 산정하였다.
- 추출파워를 얻기 위한 PTO 장치로는 유압 시스템을 적용하였다. 또한, 부체 운동 성능 및 이에 따른 추출파워의 실제적 적용을 위해 규칙파 조건을 적용하여 실험결과를 도출하였다. 실험 결과의 검증을 위해 유체동역학 해석 상용프로그램인 WAMIT과 이를 토대로 자체 개발한 시간영역 해석 프로그램과의 수치 결과와 비교하였다.
- 본 실험에서는 부체의 무게 및 침수 형상에 대한 효과를 확인하기 위해 다양한 흘수에서 부체 수직 운동을 계측하였고, 이에 따른 시간 평균 추출 파워를 계산하였다. Fig.
- 본 연구는 수심 6m 지점에 고정식 플랫폼 형태로 설치하는 반구형 부유식 수직 진자형 파력발전 장치의 운동 성능 및 추출 파력 산정 검증을 위한 실험 수행과 그 결과를 비교 분석하는 것이다. 모형 실험은 중소 조선 연구소의 해양 공학 수조(28m×22m×2.
- 본 연구에서는 모형 시험을 통해 점흡수식 수직 진자형 파력발전장치에 대한 유체동역학적 운동 계측 및 추출 에너지 파워를 조사하였다. 부체 운동 성능과 추출 파워의 비교를 위해, 반구모양의 부체(모델 A)와 평탄면 반구체(모델 B)에 대하여 두가지 흘수조건에서 비교 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 모형 시험을 통해 점흡수식 수직 진자형 파력발전장치에 대한 유체동역학적 운동 계측 및 추출 에너지 파워를 조사하였다. 부체 운동 성능과 추출 파워의 비교를 위해, 반구모양의 부체(모델 A)와 평탄면 반구체(모델 B)에 대하여 두가지 흘수조건에서 비교 실험을 수행하였다. 동력 인출 장치는 유압 펌프 시스템을 적용하였다.
- 본 연구에서는 반구형 파력발전 장치 개발에 대한 기초 실험연구로서 두 가지 형태의 반구형 부체의 수직 운동 계측을 통한 점흡수식 파력 발전 장치의 운동 성능과 파력 추출 효율을 조사하였다. 부체 형태에 따른 수직 운동 성능 변화를 비교하기 위해 일반적인 반구형 부체와 밑 부분이 평탄하게 잘린 반구체에 대한 비교 실험을 수행하고 결과를 비교 검토하였다. 추출파워를 얻기 위한 PTO 장치로는 유압 시스템을 적용하였다.
- 또한, 부체 운동 성능 및 이에 따른 추출파워의 실제적 적용을 위해 규칙파 조건을 적용하여 실험결과를 도출하였다. 실험 결과의 검증을 위해 유체동역학 해석 상용프로그램인 WAMIT과 이를 토대로 자체 개발한 시간영역 해석 프로그램과의 수치 결과와 비교하였다.
- 부체 형태에 따른 수직 운동 성능 변화를 비교하기 위해 일반적인 반구형 부체와 밑 부분이 평탄하게 잘린 반구체에 대한 비교 실험을 수행하고 결과를 비교 검토하였다. 추출파워를 얻기 위한 PTO 장치로는 유압 시스템을 적용하였다. 또한, 부체 운동 성능 및 이에 따른 추출파워의 실제적 적용을 위해 규칙파 조건을 적용하여 실험결과를 도출하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 수심 6m 지점에 고정식 플랫폼 형태로 설치하는 반구형 부유식 수직 진자형 파력발전 장치의 운동 성능 및 추출 파력 산정 검증을 위한 실험 수행과 그 결과를 비교 분석하는 것이다. 모형 실험은 중소 조선 연구소의 해양 공학 수조(28m×22m×2.5m, L×B×D)에서 진행되었다. 본 수조는 40기의 독립모델로 구성된 피스톤 타입 조파기를 이용하여 최대 파고 0.
- 5m, L×B×D)에서 진행되었다. 본 수조는 40기의 독립모델로 구성된 피스톤 타입 조파기를 이용하여 최대 파고 0.3m, 조파 주기 0.5~3.0초의 입사파를 생성할 수 있다. 또한, 0.
- , 2011). 본 실험에서 사용된 모든 모델은 반지름이 0.6 m인 부체를 사용하였고, Fig. 2와 Table 2는 각 부체별 상세정보를 나타낸다.
- 실험 모델은 일반적인 반구형 부체와 부체 밑 부분이 잘린 평탄면 반구체를 사용하였다. 평탄면 반구체는 원가절감 및 운동 성능 비교를 위해 고안된 모델이다.
- 1은 전체적인 실험 개략도를 나타낸다. 유압과 유량을 계측하기 위해, 각각 Trafag사의 Pressure transmitter와 Kracht사의 Gear type flow meter를 설치하였다.
- 입사파 에너지 플럭스(Incident wave energy flux)은 입사파 에너지와 군속도(Group velocity)의 곱으로 구할 수 있다. 입사 파고를 계측하기 위해서 용량식 파고계인 KENEK사의 CH6-100E 모델을 플랫폼 앞 8m 지점에 설치하였고, IDT사의 M3 카메라를 이용하여 부체의 운동을 계측하였다. Fig.
데이터처리
- 실험 결과와의 비교를 위해 유체동역학적 상용프로그램인 WAMIT의 수치 결과와 함께 이를 바탕으로 시스템의 기계적 에너지 손실을 고려한 수치 결과도 함께 나타내었다. WAMIT 수치 해석 프로그램은 비점성, 비회전성, 비압축성의 이상유체를 기반으로 한 경계요소법과 파랑 그린 함수법을 활용한 계산 결과로, 부체의 방사문제(Radiation problem)과 산란 문제(Diffraction problem)를 해석함으로서 부체운동에 의한 방사력, 입사파에 의한 산란력 및 부체 운동 응답을 계산하였다. 하지만, WAMIT은 이상유체를 기반으로 한 수치해석 방법으로 Arm의 움직임으로 인한 기계적 손실과 부유체의 운동과 유압실린더의 스트로크 운동에 의한 점성 감쇠 효과를 반영하지 못한다.
- 하지만, WAMIT은 이상유체를 기반으로 한 수치해석 방법으로 Arm의 움직임으로 인한 기계적 손실과 부유체의 운동과 유압실린더의 스트로크 운동에 의한 점성 감쇠 효과를 반영하지 못한다. 따라서, 이를 반영하기 위해 Cummins equation(Cummins, 1962)을 기반으로 자체 개발한 계산 프로그램(Kim et al., 2016)을 활용해 기계적 감쇠를 쿨롱 감쇠 형태로 나타내어 수치해석을 수행하여 비교하였다. 수치해석에서 유압실린더 압력 효과는 고려하지 않았고 기계적 감쇠 효과만 고려하였다.
- 7의 (a)과 (b)는 각각 모델 A-1와 모델 A-2일 때의 상하운동응답을 의미한다. 실험 결과와의 비교를 위해 유체동역학적 상용프로그램인 WAMIT의 수치 결과와 함께 이를 바탕으로 시스템의 기계적 에너지 손실을 고려한 수치 결과도 함께 나타내었다. WAMIT 수치 해석 프로그램은 비점성, 비회전성, 비압축성의 이상유체를 기반으로 한 경계요소법과 파랑 그린 함수법을 활용한 계산 결과로, 부체의 방사문제(Radiation problem)과 산란 문제(Diffraction problem)를 해석함으로서 부체운동에 의한 방사력, 입사파에 의한 산란력 및 부체 운동 응답을 계산하였다.
- 실험 결과의 검증을 위해, 포텐셜 유체 기반의 수치해석 결과 및 기계적 감쇠를 고려한 수치해석 결과를 비교하였고, PTO 시스템의 유압 작동 유무에 따른 부체의 상하 운동 응답 실험 결과를 비교하였다. 수치해석과 실험 결과가 대체로 일치하는 것을 확인할 수 있었고, PTO 시스템의 유압 적용 여부에 따른 부체 상하운동 응답의 차이는 PTO 시스템으로 추출할 수 있는 파력에너지의 크기이다.
- 10-11은 실린더 유압이 작용하는 상태에서 모델 A와 B의 HP와 LP의 유압 차이와 시간 평균 추출 파워 그리고 파 에너지 추출 효율을 나타낸다. 파 에너지 추출 효율은 입사파 에너지 플럭스(Pw)으로 시간평균 추출파워(Pg)를 나누어 계산하였다. 운동 응답과 마찬가지로 입사파 주기가 증가함에 따라 유압 차이, 시간평균 추출파워 그리고 파 에너지 추출 효율이 모두 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이론/모형
- 본 실험에서는 에너지 추출을 위한 PTO 시스템 설치를 위해 고정식 플랫폼을 설치하였고, Froude 상사 법칙을 적용하여 수심을 1.2m로 고정하였다. 이때, 축적비(λ)는 5가 된다.
성능/효과
- 입사파 주기가 증가할수록, 부체 상하운동, 부체에 작용하는 파랑외력, 유압실린더 압력, 시간 평균 추출 파워 및 추출 효율은 모두 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 평탄면 반구체 모델 B 는 저주기 입사파 조건에서 운동 응답이 상대적으로 작았는데, 이는 평탄면 반구체에 작용하는 파랑외력은 동일하나 평탄면으로 인한 점성감쇠효과가 크기 때문으로 판단되었다.
- 또한, 고주기 입사파 조건에서 파 에너지 추출효율은 모델 A와 B 모두 일정 수준 이상의 에너지 효율이 나타내지만, 모델 B-2(흘수가 낮은 평탄면 부체)에서는 최대 5% 정도 효율 감소가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 효과적인 파력 에너지 추출은 부체 형상 뿐만 아니라 흘수 변화와 상당한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
- 실험 결과의 검증을 위해, 포텐셜 유체 기반의 수치해석 결과 및 기계적 감쇠를 고려한 수치해석 결과를 비교하였고, PTO 시스템의 유압 작동 유무에 따른 부체의 상하 운동 응답 실험 결과를 비교하였다. 수치해석과 실험 결과가 대체로 일치하는 것을 확인할 수 있었고, PTO 시스템의 유압 적용 여부에 따른 부체 상하운동 응답의 차이는 PTO 시스템으로 추출할 수 있는 파력에너지의 크기이다.
- 또한, 고주기 입사파 조건에서 파 에너지 추출효율은 모델 A와 B 모두 일정 수준 이상의 에너지 효율이 나타내지만, 모델 B-2(흘수가 낮은 평탄면 부체)에서는 최대 5% 정도 효율 감소가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 효과적인 파력 에너지 추출은 부체 형상 뿐만 아니라 흘수 변화와 상당한 관계가 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 평탄면 반구체의 경우 흘수를 깊게 하여 운용하는 것이 파 에너지 추출 효율면에서 유리함을 확인할 수 있었다.
- 각 형상 모델 실험을 통해, 부체 상하운동으로 인한 PTO 유압실린더의 압력, 시간 평균 추출파워, 그리고 파에너지 추출효율을 계측하고 이를 비교 하였다. 입사파 주기가 증가할수록, 부체 상하운동, 부체에 작용하는 파랑외력, 유압실린더 압력, 시간 평균 추출 파워 및 추출 효율은 모두 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 평탄면 반구체 모델 B 는 저주기 입사파 조건에서 운동 응답이 상대적으로 작았는데, 이는 평탄면 반구체에 작용하는 파랑외력은 동일하나 평탄면으로 인한 점성감쇠효과가 크기 때문으로 판단되었다.
- 이를 통해, 효과적인 파력 에너지 추출은 부체 형상 뿐만 아니라 흘수 변화와 상당한 관계가 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 평탄면 반구체의 경우 흘수를 깊게 하여 운용하는 것이 파 에너지 추출 효율면에서 유리함을 확인할 수 있었다.
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